국내 연구팀이 이차전지에 사용하는 음극활물질인 흑연보다 10배 이상 고용량을 지니면서도 기존 실리콘 음극활물질보다 안정적인 음극활물질을 개발했다.
포항공대(포스텍)는 화학과 박수진 교수·신소재공학과 김연수 교수 연구팀이 서강대 화공생명공학과 류재건 교수 연구팀과 공동으로 층상 전하 고분자를 사용한 고용량 실리콘 음극활물질을 개발했다고 20일 밝혔다.
음극재는 이차전지 충전 때 양극에서 나오는 리튬이온을 음극에서 받아들이는 소재로 음극활물질, 도전재, 바인더로 이뤄졌다. 일반적으로 음극활물질은 흑연이나 인조흑연 등을 많이 사용한다.
하지만 흑연은 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있다.
실리콘과 같은 고용량 음극활물질은 상용화 음극소재인 흑연보다 10배 이상 용량을 낼 수 있어 고에너지밀도 리튬이차전지를 만들기 위해 필요한 요소다.
그러나 실리콘 고용량 음극활물질은 리튬과 반응할 때 부피가 팽창해 전지 성능이나 안정성을 위협한다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 부피 팽창을 잘 잡아줄 수 있는 고분자 바인더가 필요하다.
지금까지 연구된 바인더는 화학적 가교와 수소결합에 집중돼 있었다. 화학적 가교는 단단하지만 한 번 끊어지면 회복될 수 없고, 수소결합은 세기가 약하다는 단점이 있다.
연구팀은 수소결합보다 굉장히 강하게 결합하면서 부피 팽창을 쉽게 억제할 수 있는 전하 기반 고분자를 개발했다.
전극 내 리튬이온 이동을 쉽게 하고 물성을 조절하는 폴리에틸렌글리콜을 도입해 두꺼운 고용량 전극도 만들어 리튬이차전지 에너지밀도를 극대화했다.
이를 통해 기존 음극활물질인 흑연을 대체해 흑연보다 10배 이상의 용량을 지니면서도 안정적인 고용량 음극활물질을 개발하는 데 성공했다.
이번 연구 성과는 재료공학 분야 권위지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스' 표지논문으로 실렸다.
박수진 교수는 "이 연구는 고용량 음극활물질 도입으로 리튬이차전지 에너지밀도를 크게 높일 수 있고, 그에 따라 전기차의 주행거리도 늘릴 수 있을 것으로 본다"며 "실리콘 음극활물질로 10배 이상 길어진 주행거리도 가능할 것으로 기대한다"고 말했다.
(사진=연합뉴스)
